功率可扩展的V2G充放电系统设计及实现

摘要：针对目前电动汽车V2G充电桩单接口的充放电功率恒定、无法扩展的问题，设计一种双回路双接口的 V2G 充放电系统，采用在功率模块直流侧进行功率投切控制的方式，使得充放电系统突破单接口额定功率的限制，有效进行充放电功率扩展。样机的实验数据表明，充放电系统能够根据后台指令，控制相应的接触器投切动作，完成回路间功率模块调用，准确响应后台功率需求，输出扩展后的充放电功率。

关键词：V2G；充电桩；功率；扩展；设计

0 引言

我国新能源电动汽车保有量日益增多，作为“新基建”之一的充电桩是连接电动汽车和电网之间的关键设备，能够为电动汽车提供充电服务。但在用电高峰期电动汽车集中充电时，能量的单向流动势必会造成负荷曲线“峰上加峰”，导致电网负担进一步加重，威胁设备和电网稳定运行 ^[1]。以灵活化、网联化为特征的电动汽车作为未来能源互联网的储能终端，也是智能电网的重要组成部分，为了最大程度利用电动汽车蓄电池移动储能的特性 ^[2]，众多学者研究了 V2G 充放电系统 ^[3-4]，它突破了传统充电模式限制，使得“车 - 桩 - 网”之间能够实现能量的双向友好互动。车辆闲置电能可通过 V2G 充电桩为电网提供需求响应、调峰调频、促进新能源消纳等辅助服务，成为近年来的研究热点 ^[5-6]，且已 出现相关 V2G 充电桩产品和应用示范站点 ^[7]。

然而，从市场调研情况看 ^[8]，目前市面上的 V2G 充电桩内部只设置有 V2G 功率模块，虽然实现了双向能量互动，但单接口的最大充放电功率由该接口所分配的模块个数决定，是恒定功率值，导致充电和放电功率均无法扩展，限制了为车主提供更灵活、高效的充放电服务能力。基于此，本文设计一种双回路双接口的 V2G 充放电系统，每个回路分配有相同数量的充电功率模块和 V2G 功率模块，且在每个模块直流侧设计有投切接触器，和母线侨联接触器，虽然单接口额定功率一定，但可通过回路间的功率模块借用的方式，实现充电和放电功率的扩展。

1 V2G充放电系统架构

设计的 V2G 充放电系统为对称的双回路形式，图 1 为系统原理架构示意图，1# 和 2# 回路为独立的系统，主要包括交流配电及计量单元、功率变换单元、直流接触器单元、直流母线、直流配电及计量单元、充放电控制器等 6 个核心组成单元。以 1# 充放电回路为例，每个单元的作用及配置如下。

（1）交流配电及计量单元

该单元包括 1 台交流断路器 1QF1、1 台交流接触器 1KM1 和 1 台双向交流电表 1PJ，主要实现交流侧并网控制和短路保护功能，并对交流侧的充电和放电电量进行双向计量，为充电站运营商和电网结算提供计量依据。

（2）功率变换单元

该单元共配置 3 台功率变换模块，其中包括 1# 和 2# 普通充电功率模块，分别为 1AU1 和 1AU2，该充电模块只能实现充电功能，额定充电功率均为 20 kW； 1 台 V2G 功率模块为 1AU3，该模块具备双向能量变换功能，根据指令可实现充电或放电，额定充放电功率为 20 kW。

（3）直流接触器单元

该单元在每个功率变换模块的直流侧，各配置 2 个 投切直流接触器，方便通过控制器进行功率投切控制，其中模块 1AU1、1AU2 和 1AU3 分别通过直流接触器 1K1/1K2、1K3/1K4、1K5/1K6 连接至直流母线 L1 和 L2。当 1# 回路需要调用 1AU1 功率模块时，则控制器控制直流接触器 1K1 闭合，从而可将其输出功率投切至直流母线 L1 上，其他功率模块具有相同的投切机制。若 1# 或 2# 回路之间需要扩展功率而借用模块时，除了应闭合相应模块的投切接触器外，还需闭合直流母线 L1 或 L2 的侨联接触器 KQ1 或 KQ2。

（4）直流母线

L1、L2 分别为 1# 回路和 2# 回路的直流母线，一般情况两条母线中间通过侨联接触器 KQ1 或 KQ2 进行分断，形成两个完全独立的回路，各功率变换模块可将自身功率投切至需要并入的母线。

（5）直流配电及计量单元

该单元包括 1 台直流输出接触器 1K4、1 台熔断器 1R1、1 台分流器 1F1、1 台双向直流电度表 1PZ 和 1 个 接口连接器 1XS，主要实现直流侧通断控制、直流侧过载及短路保护、直流变换能量的双向计量，并提供充放电系统与车辆之间的连接接口。其中 1K4 受控于充放电控制器，连接直流配电设备和直流母线；1PZ 通过采集母线电压和分流器电压数据实现直流计量，为车主结算提供依据；1XS 设计为标准的连接器插头。

（6）充放电控制器

充放电控制器 AM 主要与各功能单元之间实现互联互通，其通过开入或开出接口，实现对交直流配电设备、各直流接触器的状态控制和采集；通过 RS485 通讯实现对交流和直流电表的计量数据采集，并加密后上传至运营后台；通过 CAN 通讯实现对各功率变换模块的功率指令下发和电压、电流、功率等实时数据和状态获取，且可通过 CAN 通讯与车辆蓄电池管理系 统（battery management system，BMS）交互充放电流程和功率需求数据。

2 充放电功率扩展模式

由图 1 中 1# 和 2# 回路配置的功率模块可知，每个回路直流侧的额定放电功率由 1 台 V2G 功率模块决定，额定值为 20 kW；直流侧的额定充电功率由 2 台功率模块和 1 台 V2G 功率模块决定，额定值为 60 kW。若某一时刻，后台下发或车辆 BMS 需求的充电或放电功率大于额定值，或大于当前可用模块的总功率，则需要通过 2 个回路之间功率扩展的方式，满足后台或车辆需求。功率扩展模式主要有两种，以下以 1# 回路为例对每种模式进行分类分析。

2.1 充电模式时的功率扩展

2.2 放电模式时的功率扩展

由以上功率扩展模式可知，每个回路的最大充电功率，可在额定充电功率基础上，最多扩至 120 kW；每个回路的最大放电功率，在额定放电功率基础上，最多可扩展至 40 kW。

3 样机实现及试验验证

3.1 充电功率扩展试验

3.2 放电功率扩展试验

以上充放电试验说明，设计的功率可扩展 V2G 充放电系统能准确响应后台需求，具备有效可靠的功率扩展功能，突破传统 V2G 充电桩接口功率恒定的限制，可为车辆提供更加灵活方便的充放电服务。

4 结语

本文针对传统 V2G 充电桩单接口的最大充放电功率恒定，无法根据需求进行功率扩展的问题，提出并设计一种双接口的 V2G 充放电系统，利用两个独立回路间功率模块投切借用的方式，实现了充电或放电过程中的功率扩展。通过试验数据，可得到如下结论：

所提出的功率扩展方案灵活可靠、响应准确，进一步提高了 V2G 充电桩的服务能力和效率；

下一步应考察充放电过程中，功率扩展响应的时效性，并验证系统在更大功率产品中的应用情况。

参考文献：

[1] 李景丽,杨旭晨,张琳娟,等.规模化电动汽车有序充电分层控制策略研究[J].电测与仪表,2021,58(05):168-175.

[2] 谭维玉,雷雨,李军,等.计及动态分时电价的电动汽车参与电网调度研究[J].可再生能源,2020,38(11):1515-1522.

[3] 柯胜,胡醇.电动汽车有序充放电控制技术研究[J].电工电气,2019(9):22-26.

[4] 刘东奇,钟庆昌,王耀南,等.基于同步逆变器的电动汽车V2G智能充放电控制技术[J].中国电机工程学报,2017,37(2):544-556.

[5] 韩华春,柳丹,张宸宇,等.微电网环境下V2G系统电能质量优化补偿控制技术[J].电器与能效管理技术,2018,.540(03):53-58.

[6] 程杉,杨堃,魏昭彬,等.计及电价优化和放电节制的电动汽车充电站有序充放电调度[J].电力系统保护与控制,2021,49(11):1-8.

[7] 张鑫钰,强伟,文晓龙,等.考虑V2G模式的电动汽车充电站规划[J].现代电力,2019,36(01):71-78.

[8] 师瑞峰,李少鹏.电动汽车V2G问题研究综述[J].电力系统及其自动化学报,2019,31(06):28-37.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年8月期)